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Les plaques perforées

D’autres solutions que les grilles à faible espacement entre les barreaux, existent

éga-lement. Les grilles Eicher ou «skimming» (Figure 4.16), à faible angle d’inclinaison, ont été

développées dans des prises d’eau à surface libre, dans des tuyaux ou dans des conduites

forcées pour détourner le poisson vers la goulotte de dévalaison en surface. La grille est

constituée de barres en fil de fer de section triangulaire de 2 mm espacées de 2 mm. Ce

type de grilles, bien qu’efficace en terme de guidage de poisson, a été peu implémentée du

fait qu’il génère de fortes pertes de charges (Courret et Larinier, 2008). Dans les régions

montagneuses, certaines des prises d’eau sont des prises tyroliennes, en particulier sur les

ruisseaux à fort transport de sédiments et les sites à accès complexe. Pour chacun des trois

types de ces prises, des solutions de barrières ont été adaptées:

— Prise d’eau Lépine: l’eau tombe sur une plaque perforée. Ce type de prise d’eau est

assez fréquent en France (Figure 4.17).

— Prise d’eau «classique»: l’eau passe par une grille à barreaux longitudinaux, plus ou

moins inclinées vers l’aval (Figure 4.18).

— Prise d’eau Coanda: l’eau passe par une grille à barreaux transversaux utilisant l’effet

Coanda qui est l’attraction ou l’attachement d’un jet de fluide par une surface convexe

sur laquelle il s’écoule (Figure 4.19).

L’ensemble de ces solutions semble innovant et requière davantage d’études pour

déter-miner entre autre leur application sur d’autre type de prise d’eau. Dans ce contexte, les

plaques perforées paraissent intéressantes en dehors des prises d’eau Lépine. En effet,

l’inclinaison ou l’orientation de ce dispositif dans une prise d’eau classique serait une

al-ternative possible aux grilles à faible espacement entre les barreau, représentées dans la

Figure 4.20. De plus, ce genre de dispositif pourrait être un moyen de guidage des poissons

adéquat et peut être plus facilement nettoyé. Afin de répondre aux questionnements sur

l’efficacité des plaque perforées, cette partie vient quantifier les pertes de charge qu’elles

génèrent et analyser la courantologie amont et aval de ce type de dispositif.

FIGURE 4.16 – Grille Eicher (EPRI, 1987).

FIGURE 4.17 – Diagramme de la prise d’eau Lépine (en haut) et exemple de la prise d’eau

Brides les Bains (d’altitude 695 m) sur la rivière du Doron des Allues – France (en bas et

sans eau) (Dewitte et David, 2018).

FIGURE 4.18 – Exemple d’une prise d’eau tyrolienne classique: Saint Marcel sur le Doron

de la rivière de Bellevillle (d’altitude 1437 m) (à gauche) et Bocognano sur la rivière du

Gravone (d’altitude 890 m) (à droite) – France (Dewitte et David, 2018).

FIGURE 4.19 – Diagramme d’une prise d’eau Coanda et exemple de la prise d’eau Coanda

d’Escouloubre (d’altitude 977 m) sur la rivière de l’Aude – France (Dewitte et David, 2018).

4.2.1 Pertes de charge

La plaque perforée testée est une plaque en acier d’une épaisseur de 3 mm, percée

d’ori-fices de forme oblongue. Comme la grille à faible espacement entre les barreaux, la taille

de l’orifice est caractérisée par sa largeur a1 et sa hauteur a2 mais aussi la distance entre

les orifices successifs p1 et p2 (Figure 4.21). Ils peuvent être placés parallèlement (a), ou

en quinconce verticalement (b) ou horizontalement (c) (Figure 4.22). La largeur des orifices

FIGURE 4.20 – Exemple de mise en place de plaques perforées associées à des exutoires,

inclinée (à gauche) et orientée (à droite).

doit être inférieure à la plus petite dimension du poisson, sa largeur pour le trou oblong

vertical et sa hauteur pour le trou oblong horizontal pour constituer une barrière physique.

Les poissons étant capables de se ’pencher’, il est préférable de toujours considérer la

lar-geur. Les mêmes critères que pour les grilles à faible espacement entre les barreaux et les

valeurs choisies sont directement appliquées à l’espèce de poisson.

FIGURE 4.21 – Dimensions des orifices des plaques perforées.

Le taux de blocage, fixé par des raisons de tenue mécanique, a été calculé pour une grille

composée de barreaux d’un rapport entre la largeur du barreau et l’espacement entre les

barreaux e /b = 2 et nous avons obtenu un blocage de 0.35 ou une porosité de 65%. Ceci

correspond aux grilles préconisées aujourd’hui.

Pour une porosité fixe de 66% proche de la valeur calculée, nous avons testé différentes

hauteurs (100; 200 mm) et largeurs (10; 15; 20 mm) d’orifices, des orifices parallèles ou en

FIGURE 4.22 – Types des plaques perforées: (a) avec des orifices parallèles, (b) avec des

orifices en quinconce verticaux et (c) avec des orifices en quinconce horizontaux .

TABLEAU4.3 – Paramètres des plaques perforées testées.

a1 (mm) a2 (mm) p1 (mm) p2 (mm) Type Porosité (%)

15 100 42 108 Quinconce verticaux 66

10 100 28 108 Quinconce verticaux 66

20 200 58 208 Quinconce verticaux 66

15 200 44 207 Quinconce verticaux 66

15 100 21 108 Parallèle verticaux 66

10 100 14 108 Parallèle verticaux 66

20 200 29 208 Parallèle verticaux 66

15 200 22 207 Parallèle verticaux 66

100 15 108 42 Quinconce horizontaux 66

quinconce, et des orifices horizontaux ou verticaux. L’objectif est de pouvoir choisir la taille

des orifices en fonction des espèces cibles. Un total de neuf plaques perforées est comparé

avec le même taux de blocage et pour 6 angles d’inclinaison de la plaque β (15˚, 25˚, 35˚,

45˚, 60˚, 90˚). Le tableau 4.3 résume les paramètres géométriques des différentes plaques

testées. Chaque plaque est maintenue par deux supports latéraux dans lesquels elle est

encastrée et quelques tiges transversales de diamètre 10 mm sur lesquelles elle repose

(Figure 4.23), qui ajoutent une obstruction supplémentaire. La vitesse amont est fixée à

0.72 ms1 et la hauteur d’eau amont H1 est imposée à 0.7 m pour la mesure des hauteurs

d’eau ainsi que de la vitesse après avoir vérifié que les résultats ne varient pas avec la

vitesse. Le nombre de Froude est 0.275 et le nombre de Reynolds calculé à partir de la

hauteur d’eau 720000.

pied de grille situé à x=0 et respectivement positionnées à x = -2 m et x = -1 m en amont

de la grille et à x = +2.6 m et x = +3.6 m en aval de la grille. Elles sont situées dans le plan

médian du canal à y=0.5 m du canal. La Figure 4.24 schématise l’emplacement des sondes

dans le plan (x,z) et du maillage des profils de vitesse en rouge en amont et en aval des

grilles.

FIGURE4.23 – Plaques perforées testées avec les supports longitudinaux et les tiges

trans-versales.

FIGURE 4.24 – Vue de côté du canal à surface libre avec la plaque perforée inclinée.

L’em-placement des profils de vitesse est repéré en rouge à 50 mm en amont et à 400 mm en aval

de la plaque. Les sondes de la hauteur d’eau sont repérées par S0, S1, S2, S3.

La Figure 4.25 montre l’évolution du coefficient de perte de charge en fonction de l’angle

d’inclinaison pour les différentes plaques perforées. Le coefficient diminue avec l’angle de

la même manière que les coefficients de la grille inclinée. Les barres transversales qui

supportent la plaque n’affectent pas le coefficient au plus petit angle (15˚) en raison de leur

faible diamètre contrairement aux entretoises qui séparent les barreaux. Les plaques avec

des orifices parallèles fournissent le même coefficient de perte de charge que les plaques

avec des orifices en quinconce à angle égal. Si l’on considère maintenant l’orientation de

l’orifice, la plaque avec des orifices horizontaux en quinconce produit un coefficient de perte

de charge plus élevé que la plaque avec des orifices verticaux de même largeur et hauteur,

ce qui pourrait être attendu du fait de son opposition face à l’écoulement.

FIGURE 4.25 – Coefficient de pertes de charge mesurés des plaques perforées en fonction

de l’angle d’inclinaison. Pour les orifices (verticaux V et horizontaux H) en quinconce (à

gauche), pour les orifices parallèles (à droite) et les différentes largeurs a1et hauteurs a2.

Les formules de perte de charge ont été évaluées à partir de ces mesures pour

pou-voir prédire la perte d’énergie pour de telles configurations comparables. La formule de

Raynal et al. (2013a) est testée et validée sur les résultats expérimentaux présentée dans

l’équation 4.8:

ξRaynalplaques+ξentretoises (4.8)

ξplaques =Ai

Ob

1−Ob

1.65

sin2β (4.9)

ξentretoises=C

Osp

1−Osp

0.77

(4.10)

Ai= (ξξentretoises)

ξplaques avec β = 90

◦ (4.11)

Les coefficients de forme identifiés par ces équations varient entre 3.3 et 3.7 (tableau

4.4) pour la plaque à orifices verticaux parallèles ou en quinconce et est plus élevé pour la

plaque à orifices horizontaux. Les coefficients R2 sont très proches de 1 ce qui signifie que

les valeurs mesurées sont très bien approximées par la formule et ces coefficients. Pour

comparer avec les grilles à barreaux, le coefficient de forme d’un barreau rectangulaire est

de 3.85 et les formes de barreaux modifiées, étudiés dans le chapitre précédent, ont donné

des coefficients inférieurs à 3.

TABLEAU 4.4 – Coefficient Aimodélisé pour les différentes configurations des plaques.

Type Quinconce Parallèle Quinconce H

a1 (mm) 10 15 15 20 10 15 15 20 100

a2 (mm) 100 100 200 200 100 100 200 200 15

Ai 3.2 3.4 3.3 3.7 3.7 3.3 3.3 3.4 4.3

R2 0.993 0.998 0.998 0.998 0.987 0.997 0.994 0.992 0.998

Global Ai 3.33 avec R2=0.964 4.3

Pratiquement, la plaque perforée à orifices oblongs verticaux parallèles pourrait

consti-tuer une alternative techniquement simple aux barreaux. Il paraît possible de rigidifier la

plaque en y soudant des barreaux verticaux fins, ou horizontaux dans le sens de

l’écoule-ment sans augl’écoule-menter les pertes de charge si les trous sont parallèles.

TABLEAU 4.5 – Comparaison des pertes de charge ∆H (mm) pour une grille inclinée à

barreaux hydrodynamique et Têtard 8 et pour une plaque perforée pour trois espacements

e (10, 15 et 20 mm), une largeur de barreau b = 7 mm et deux angles d’inclinaisonβ (15 et

25˚) et une vitesse de 0.7 ms−1et 11 barres d’entretoises pour 15˚et 7 barres pour 25˚.

H (mm) Grille inclinée b =7 mm Plaque perforée

Angles (˚) 15 25 15 25

Forme de barreau HYD Têtard 8 HYD Têtard 8 -

-e =10 mm 7.0 mm 6.1 mm 11.2 mm 8.6 mm 3 mm 7.9 mm

e =15 mm 6.5 mm 5.9 mm 8.8 mm 7.4 mm 3 mm 7.9 mm

e =20 mm 6.4 mm 6.1 mm 7.9 mm 7.1 mm 3 mm 7.9 mm

Le tableau 4.5 compare les pertes de charge générées par les grilles inclinées à barreaux

hydrodynamiques et Têtard 8 et les plaques perforées pour trois espacements e (10, 15 et

20 mm), une largeur de barreaux b = 7 mm et deux angles d’inclinaison β (15 et 25˚). Ce

tableau montre que les plaques perforées génèrent moins de pertes de charge que les grilles

inclinées à barreaux hydrodynamiques. Les barreaux Têtard 8 génèrent moins de pertes

de charge que les barreaux hydrodynamiques mais la différence avec les plaques perforées

est du même ordre. Les plaques perforées réduisent encore plus les pertes de charge que

les autres configurations de grille en raison de l’absence des entretoises. Dans ce cas, si les

barres de soutien sont soudées derrière les plats de maintien , les pertes de charge dues au

support disparaissent.

4.2.2 Vitesse

Deux profils de vitesse ont été mesurés: un à 50 mm en amont le long de la plaque

afin de vérifier les critères ichtyocompatibles et un à 400 mm en aval de la plaque afin de

vérifier la symétrie de l’écoulement en direction des turbines.

Profils de vitesse en amont des plaques

La composante axiale de la vitesse normalisée par Vola vitesse débitante en amont, les

composantes normale et tangentielle de la vitesse et le rapport entre la vitesse tangentielle

et la vitesse normale en fonction de la coordonnée Z sur la hauteur d’eau H, sont

représen-tées à 25˚pour la plaque avec des orifices en quinconce (Figure 4.26) ou parallèles (Figure

4.27) verticaux à différentes largeurs a1 et hauteurs a2.

FIGURE4.26 – Comparaison des vitesses normalisées sur Vola vitesse débitante en amont,

(a) de la composante axiale, (b) de la composante tangentielle, (c) de la composante normale

et (d) du ratio des vitesses tangentielles et normales des plaques perforées à orifices

verti-caux en quinconce, pour des différentes largeurs a1 et hauteurs a2, en fonction de Z/H.

La vitesse axiale est proche de 1 Vo et une faible augmentation de vitesse apparaît en

bas et est vraisemblablement liée au support de la plaque qui introduit un petit blocage

au pied de la plaque. La vitesse tangentielle est quasiment constante le long de la plaque

avec une petite accélération au pied de la plaque. L’accélération locale est plus élevée pour

les orifices verticaux parallèles. La vitesse normale diminue légèrement de 0.58 à 0.5 Vo

avec la profondeur de l’eau pour les orifices verticaux en quinconce tandis qu’elle augmente

FIGURE 4.27 – Comparaison des vitesses normalisées sur Vo la vitesse débitante en

amont,(a) de la composante axiale, (b) de la composante tangentielle, (c) de la composante

normale et (d) du ratio des vitesses tangentielles et normales des plaques perforées à

ori-fices verticaux parallèles, pour des différentes largeurs a1 et hauteurs a2, en fonction de

Z/H.

pour les orifices verticaux parallèles. Enfin, le rapport Vt / Vn varie de 1.8 à 2 en fonction

de la hauteur pour les orifices en quinconce tandis que ce rapport diminue de 2 à 1.8 à la

surface de l’eau pour les orifices parallèles.

FIGURE4.28 – Comparaison des vitesses normalisées sur Vola vitesse débitante en amont,

(a) de la composante normale et (b) du ratio des vitesses tangentielles et normales des

plaques perforées à orifices en quinconce verticaux (V) et parallèles verticaux (V) et les

orifices en quinconce horizontaux (H), pour a1= 15 mm et a2= 100 mm, en fonction de Z/H,

pour deux angles d’inclinaisonβ = 25˚et 35˚.

pour l’inclinaison de la plaque de 35˚du fait de la constitution des lignes de courant de

l’écoulement en lien avec les orifices (Figure 4.28). Les comportements des différentes

com-posantes de la vitesse et du rapport Vt/ Vnpour la plaque perforée à orifices horizontaux en

quinconce sont similaires à ceux obtenus pour les orifices verticaux en quinconce (Figure

4.28).

FIGURE4.29 – Comparaison des vitesses normalisées sur Vola vitesse débitante en amont,

(a) de la composante normale et (b) du ratio des vitesses tangentielles et normales des

plaques perforées à orifices en quinconce verticaux (V) et parallèles verticaux (V) et les

grilles inclinées (GI) (e/b=2; PR), pour a1= 15 mm et a2= 100 mm, en fonction de Z/H, pour

deux angles d’inclinaisonβ = 25˚et 35˚.

La Figure 4.29 représente la comparaison des profils de vitesse mesurés avec une grille

inclinée avec le même blocage. Les résultats sont similaires pour la vitesse normale et le

rapport Vt / Vn en ce qui concerne la plaque perforée avec des orifices en quinconce pour

les deux angles d’inclinaison 25 ˚et 35 ˚. En conclusion, les vitesses en amont des plaques

perforées sont invariantes à la disposition des orifices et à leurs dimensions et valident

les critères ichtycompatibles souhaitées. Aussi, cette invariance permet de choisir les

di-mensions des orifices optimales en fonction des espèces cibles de poissons et de pouvoir en

même temps une facilité de nettoyage pour le producteur de la centrale hydroélectrique.

Profils de vitesse en aval des plaques

En aval des plaques perforées, la vitesse axiale est analysée pour voir leur effet sur

l’uniformité de l’écoulement en direction des turbine. Toutes les vitesses sont mesurées à

400 mm en aval de la grille. Les autres composantes de la vitesse (Vy et Vz) sont

négli-geables. La Figure 4.30 présente les profils de la vitesse axiale normalisée par V2la vitesse

débitante en aval des plaques perforées à orifices verticaux en quinconce et parallèles,

in-clinées à 25 ˚, pour différentes hauteurs a2 (100 et 200 mm) et largeurs a1 (10; 15 et 20

mm). Les profils se superposent et montrent l’invariance de la vitesse par rapport aux

dimensions des orifices mais aussi à leur disposition sur la plaque.

FIGURE 4.30 – Comparaison des vitesses normalisées sur V2 la vitesse débitante en aval,

de la composante axiale des plaques perforées à orifices en quinconce verticaux (a) et

paral-lèles verticaux (b) pour différents a1 et a2, en fonction de Z/H, pour un angle d’inclinaison

β = 25˚.

débitante en aval des plaques perforées à orifices verticaux en quinconce et parallèles et à

orifices horizontaux en quinconce, inclinées à 25˚et 35˚, pour une hauteur a2 100 = mm et

une largeur a1= 15 mm. Les profils sont identiques et prouvent l’invariance par rapport à

l’angle d’inclinaison. Il y a quelques légères différences à proximité de la surface libre où

pour les orifices horizontaux en quinconce, pour l’angle 25˚, le profil est décéléré à Z/H de

0.7 à 0.8.

FIGURE 4.31 – Comparaison des vitesses normalisées sur V2 la vitesse débitante en aval,

de la composante axiale des plaques perforées à orifices en quinconce et parallèles verticaux

et en quinconce horizontaux pour différents a1= 15 mm et a2= 100 mm, en fonction de Z/H,

pour deux angle d’inclinaisonβ = 25˚et 35˚.

La Figure 4.32 présente les profils de la vitesse axiale normalisée des plaques perforées

à orifices verticaux en quinconce et parallèles , pour une hauteur a2 = 100 mm et une

largeur a1 = 15 mm et des grilles à barreaux rectangulaires de ratio e/b = 2, inclinées à

25˚et 35˚. Les profils sont surperposés et enregistrent la même progression.

FIGURE 4.32 – Comparaison des vitesses normalisées sur V2 la vitesse débitante en aval,

de la composante axiale des plaques perforées à orifices en quinconce et parallèles verticaux

et une grille inclinée pour différents a1 = 15 mm et a2 = 100 mm, en fonction de Z/H, pour

deux angle d’inclinaisonβ = 25˚et 35˚.

Discussions

L’étude des plaques perforées montre que l’adoption de cette alternative aux grilles à

faible espacement entre les barreaux réduit les pertes de charge de 20 à 50% en fonction

de l’angle. En effet, la mesure et la modélisation des pertes d’énergie n’ont montré aucune

influence de la disposition des orifices, ni de leurs dimensions ce qui amène à un choix

spé-cifique en fonction des espèces cibles. De plus, l’avantage des plaques à orifices parallèles

est tel que les barres de maintien peuvent être dissimulés en dehors des orifices ce qui

minimise par conséquent les pertes de charge.

Par ailleurs, l’analyse de la courantologie en amont de ces plaques confirme leur

valida-tion des critères ichtycompatibles et sont donc favorables au guidage des poissons vers les

exutoires de contournement. Ces exutoires n’ont pas été étudiés lors de cette thèse mais

seraient dimensionnés selon les critères adoptés pour les grilles inclinées, à savoir une

largeur de 1m et une hauteur de 0.5m avec les préconisations présentes dans (Courret et

Larinier, 2008) pour l’espacement et le nombre adéquats, détaillés dans le chapitre 1.

Contraiement à ce qui est observé pour les grilles munies de barreaux, la courantologie

en aval des plaques perforées présente des profils quasiment homogènes en direction des

turbines, ce qui n’altère pas le fonctionnement de celles-ci si elles sont placées juste en

aval direct des plaques. Cette meilleure homogénéité de l’écoulement aval réduit donc les

contraintes d’implantation des plaques qui peuvent potentiellement être positionnées à

proximité immédiate de la chambre d’eau . D’autre part, ces plaques peuvent être placées

de façon orientées et formeront également une solution alternative aux grilles orientées à

barreaux horizontaux.

4.3 Bilan

Les grilles orientées à barreaux horizontaux semblent des alternatives performantes

aux grilles orientées à barreaux perpendiculaires au plan de grille et sont aussi, voire plus

efficaces que les grilles orientées à barreaux verticaux dans le sens de l’écoulement. Les

résultats des plaques perforées montrent que celles-ci constituent une alternative possible

aux grilles inclinées conventionnelles. L’invariance des résultats vis à vis de l’orientation et

de la disposition des orifices choisis indique également que les plaques perforées pourraient

être utilisées en remplacement de grilles orientées, ou, plus généralement, être adaptées

à des ouvrages pour lesquelles une disposition de plaques plus complexe devrait être

envi-sagé en termes d’inclinaison, d’orientation ou de combinaison de ces deux paramètres. En

termes pratiques, il reste à déterminer quel type de rigidificateurs peuvent être adoptés

sur ces plaques afin de limiter les pertes de charge additionnelles. Les plaque perforées

pourraient alors être adaptées à des sections de forme quelconque et à de multiples

confi-gurations de canaux d’amenée sans modification majeure du génie civil.

Ce travail de thèse avait pour objectif d’optimiser les grilles ichtyocompatibles

exis-tantes et d’étudier d’autres configurations de grilles possibles en cherchant à assurer à la

fois la dévalaison des poissons et l’efficacité de production des centrales hydroélectriques.

Le premier dessein était de quantifier les pertes d’énergie dues aux grilles inclinées avec

des supports et des formes différentes de barreau, tels qu’employées dans certaines

cen-trales mais non modélisées jusqu’à maintenant. Ensuite, le suivi de ces grilles implantées

dans les centrales a été effectué à travers des campagnes de mesure de la courantologie à

la centrale de Las Rives. Cette dernière a été également modélisée numériquement dans

le but de constituer un outil de prédiction. Enfin, dans le cadre des nouvelles solutions de

barrières physiques, la grille orientée à barreaux horizontaux et la plaque perforée ont été

étudiées.

Dans cette démarche d’analyse hydrodynamique de l’écoulement à travers les différents

dispositifs, plusieurs outils (sondes à ultrason, ADV, ADCP, courantomètre

électromagné-tique et simulations RANS) ont été déployés. L’objectif était, à partir d’expériences de

labo-ratoire, in situ et de simulations numériques, de répondre aux questionnements physiques

et théoriques.

Les premières problématiques posées étaient les pertes de charge de différents profils

de barreau et l’addition de structures derrière la grille. Cette étude a permis d’identifier